Energ. Environ. Sci.:穩定高效的銫摻雜二維鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

近年來，有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料發展迅速，已經成為下一代薄膜太陽能電池和光電子學領域的明星級材料。三維(3D)甲基碘化鉛(MAPbI₃)作為太陽能電池的吸收層具有優異的光伏性能，如：消光系數高、帶隙匹配、激子結合能小以及電荷擴散長度長等優點。該類鈣鈦礦太陽能電池效率最高已經達到22.1%。然而，這類鈣鈦礦材料面臨環境穩定性差的問題嚴重制約了該類鈣鈦礦電池的商業化進程。這一挑戰激勵著研究者致力于開發環境穩定性好的新型材料。在這樣的背景下，二維(2D)鈣鈦礦材料脫穎而出。與3D鈣鈦礦材料相比，2D鈣鈦礦材料擁有可調的光電性能和環境穩定性兩大優點。遺憾的是，由于2D鈣鈦礦存在吸收系數低、電荷傳輸能力差和激子結合能大等問題，導致其光伏性能差，電池效率低下。近期研究發現2D鈣鈦礦邊緣存在長壽命的自由載流子，這為該材料的高光伏特性提供了保證。通過在加熱基底上進行溶液法澆筑制備薄膜，可以有效的控制2D鈣鈦礦的晶向，在垂直方向形成有效的電荷輸運，使得電池效率達到12.5%，同時比3D鈣鈦礦電池具有更好的耐濕性。盡管在控制溶液成膜上取得了巨大的成功，然而其材料本征缺陷仍然限制光伏性能和器件穩定性的進一步提升。

【成果簡介】

近日，中科院劉生忠教授、陜西師范大學趙奎副教授（共同通訊作者）在Energy & Environmental Science 上發表了一篇名為“Stable high efficiency two-dimensional perovskite solar cells via cesium doping”的文章。該工作通過對二維 (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃鈣鈦礦進行銫(Cs)摻雜將太陽能電池效率從12.3%提高至13.7%。此外，電池的穩定性也得到了進一步的提升。

【圖文導讀】

圖1：銫摻雜鈣鈦礦（Cs-2D）的晶體結構與光學性質

(a).原位GIWAXS測試顯示Cs₀-2D（Cs摻雜濃度為0）和Cs₅-2D（Cs摻雜濃度為5%）樣品在溶液旋涂過程中的相變過程；

(b).GIWAXS分析Cs_x-2D薄膜的結晶性質，右側與底部的部分分別表示的不同摻雜濃度下，(2100)峰和(111)峰的峰移；

(c).銫摻雜二維晶體結構示意圖；

(d).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的吸收譜（虛線）和PL譜（實線）的對比。

圖2：Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的形貌表征

(a, b).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的SEM圖，低分辨率(a)和高分辨率(b)；

(c).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的AFM圖, 標注的是功函數和粗糙度；

(d).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜器件的橫截面SEM圖。

圖3：Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的光電特性

(a).Cs_x-2D鈣鈦礦器件的暗電流-電壓測試曲線；

(b).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜的缺陷態密度與電子遷移率隨Cs摻雜濃度的變化曲線；

(c).Cs_x-2D鈣鈦礦薄膜生長在FTO/TiO₂襯底上的PL衰減曲線。

圖4：Cs_x-2D鈣鈦礦電池結構與表征

(a).電池結構；

(b).80個Cs_x-2D鈣鈦礦電池的性能數據統計；

(c).Cs₅-2D鈣鈦礦電池最高效率(13.68%)器件J-V曲線；

(d).外量子效率(EQE)曲線與電流隨波長積分曲線；

(e).器件正掃與反掃的J-V曲線。

圖5：Cs₀-2D和Cs₅-2D鈣鈦礦電池的穩定性測試

(a).在相對濕度為30%的環境條件下，未封裝Cs₀-2D和Cs₅-2D鈣鈦礦電池的長期穩定性測量；

(b). 未封裝Cs₀-2D和Cs₅-2D鈣鈦礦電池在不同濕度下 (30%、65%、85%) 的耐濕測量；

(c).未封裝的 Cs₀-2D和Cs₅-2D鈣鈦礦電池在80℃惰性氣氛下的穩定性測試。

【小結】

在這項工作中，研究者通過對二維(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃鈣鈦礦電池進行銫(Cs)摻雜來提升鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸與表面質量，進而提升器件的光伏性能和穩定性。研究發現，當銫摻雜濃度為5%時，器件的效率從0摻雜時的12.3%提高至13.7%。此外，在30%濕度情況下，經過1400小時后，器件的效率仍然保持89%。這將有助于推動鈣鈦礦太陽能電池走向商業應用。

文獻鏈接：Stable high efficiency two-dimensional perovskite solar cells via cesium doping (Energ. Environ. Sci., 2017,DOI:10.1039/c7ee01145h)

團隊介紹：

劉生忠教授領導的團隊是國內外較早從事鈣鈦礦太陽電池研究的團隊之一，在平面和柔性鈣鈦礦等方面取得了顯著的研究成果：包括采用獨特的界面修飾方法，平面異質結電池效率達到19.62%；發展了優質的TiO₂和Ni₂O₅電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.32%。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

本文由材料人編輯部新能源前線劉于金供稿，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

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